磁共振成像下磁力辅助远程控制微导管尖端偏转

摘要

通过激光车床光刻技术制备的带有微线圈尖端的血管内微导管，在施加电流后可在磁共振（MR）引导下实现可控偏转，这可能提高多种血管内介入手术中血管导航的速度与效率。

摘要

在X射线透视引导下的血管内介入手术存在若干显著局限性，包括导管导航困难以及电离辐射的使用，而采用磁控导管在磁共振（MR）引导下操作可能克服这些局限性。

本研究的主要目标是开发一种其尖端可通过磁共振扫描仪的磁场进行远程控制的微导管。本方案旨在描述对带有微线圈尖端的微导管施加电流以产生稳定且可控偏转的操作步骤。

采用激光车床光刻技术在聚酰亚胺尖端的血管内导管上制备了微型线圈。体外测试在1.5 T磁共振系统引导下，于水浴和血管模型中进行，采用稳态自由进动（SSFP）序列。向微型导管的线圈施加不同强度的电流，以产生可测量的尖端偏转，并在血管模型中实现导航。

该设备的开发为未来的测试提供了一个平台，并有望彻底改变血管内介入磁共振成像环境。

引言

介入医学中实施的血管内手术利用X射线引导作为导管在血管系统中导航的工具，用于治疗多种重大疾病，例如脑动脉瘤、缺血性卒中、实体瘤、动脉粥样硬化和心律失常，每年在全球范围内影响超过一百万患者^1-5。通过使用对比剂，介入医师用手动旋转导管并机械推进的方式实现血管内的导航⁶。然而，在许多血管弯曲处周围的小而迂曲的血管中进行导航变得愈发困难，延长了到达目标位置所需的时间。这对于时间敏感的手术（例如清除闭塞血管中的血栓）构成了挑战。此外，手术时间延长会增加辐射剂量，并可能引发不良事件^7-11。然而，磁共振成像引导下的血管内手术可能为此提供一种解决方案。

MRI 扫描仪的强均匀磁场可通过远程控制用于导管尖端的导航^12,13。当电流施加到位于导管尖端的微线圈时，会诱导产生一个微小的磁矩，该磁矩在与 MRI 扫描仪的孔轴对齐时会受到扭矩作用¹³（图 1）。若单个线圈通电，可通过远程控制使导管尖端在一个平面内偏转；若导管尖端的三个线圈同时通电，则可实现三维方向上的偏转。因此，磁力辅助的导管导向技术有望提高血管内介入手术中血管导航的速度与效率，从而缩短手术时间并改善患者预后。本研究旨在通过初步测试，评估在 MR 引导下对带有微线圈尖端的血管内导管施加电流是否能够产生可靠且可控的偏转，以验证导管导航研究的可行性。

方案

1. 微型线圈的制备

1. 获取一种市售的微导管（例如 2.3F Rapid Transit Cordis Neurovascular 导管（Raynham, MA）作为基底。
2. 确保导管不含铁质成分，且为磁共振安全（MR-safe），规格范围为 2.3–3.0 F。
3. 在直径1至2毫米的绝缘管上溅射一层钛作为粘附层，随后溅射铜作为种子层。可选材料包括聚酰亚胺或氧化铝（Ortech Advanced Ceramics，萨克拉门托，加利福尼亚州）。
4. 使用Shipley的PEPR-2400（目前由陶氏化学以Intervia 3D-P名称销售）电沉积一层正性光刻胶。电沉积可在非平面的圆柱表面形成均匀的涂层。
5. 光刻胶通过一种独特的激光直写系统（激光车床，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发的非商业化系统）曝光，形成所需线圈形状的图案（图2A）。这是对 Malba 最初描述的技术所进行的改进 等¹⁴
6. 在35 °C的1%碳酸钾溶液中显影曝光后的光刻胶。
7. 通过剩余的抗蚀层掩模进行铜电镀，以形成所需的线圈。该系统可制备螺线管和亥姆霍兹（跑道形）铜线图案。图2C 和 二维).
8. 铜电沉积后，用热显影液去除光刻胶。随后去除铜种子层，再去除钛粘附层。
9. 使用热缩管将绝缘管固定在导管尖端，完成组装。确保热缩管完全覆盖整个线圈状尖端。组装多轴导管时，将绝缘管结构依次套叠在一起，如图所示。 图2E.
10. 将铜丝穿过微导管的管腔，并在顶端与线圈焊接。
11. 将一根6英尺长的RJ11电话线修改并缩短为3英尺。
12. 将从微导管后端集线器引出的铜线连接到改装过的3英尺电话插孔传输线上。

2. 水浴装置设置

1. 在塑料盆侧面距底部约 5 cm 处的中心位置打一个小孔。
2. 将一根 9F Avanti Cordis 血管鞘（Cordis Endovascular，Miami Lakes，FL）从该孔插入。
3. 剪去血管鞘的远端尖端，保留约 4 cm 长的部分伸入盆内。
4. 在鞘管末端连接一个旋转止血阀或 Thuoy-Borst 阀，以固定微导管的位置。
5. 向盆中加入蒸馏水，确保整个装置完全浸没。
6. 将带有盘绕尖端的导管经血管鞘和阀门插入。
7. 测量并记录从阀门延伸至水浴中的微导管在无约束状态下的长度。
8. 将装有微导管系统的水浴装置置于磁共振扫描仪的磁体内部，并根据磁体孔径方向进行定位。
9. 使用双通电话接口，将连接在导管上的改良 3 英尺电话线与一根 25 英尺 RJ11 电话传输线相连。
10. 将 25 英尺电话线的另一端连接至 Lambda LPD-422A-FM 双路稳压电源，以为设备提供最高 1 A 的电流。
11. 将传输线穿过波导管，并将电源置于磁共振扫描仪房间外、5 高斯线以外的位置。

3. 血管模型设置

1. 在实验前，使用橡胶管构建一个带有Y形交叉结构的中空血管模型。
2. 用蒸馏水配制的0.0102 M钆喷酸葡胺（GdDTPA）（Magnevist，Bayer Healthcare Pharmaceuticals，Montville，New Jersey）溶液填充血管模型，以在模型血管与背景之间形成对比。
3. 按照步骤1.1至1.9所述组装微导管系统。将导管连接至电源，并按照步骤2.9至2.11所述进行定位。
4. 将微导管的尖端置于血管开口的基部。
5. 将模型放置于磁共振扫描仪的磁体内部，并根据磁体孔径方向进行取向调整。

4. 磁共振成像

1. 使用1.5T临床磁共振成像系统（Siemens Avanto，软件版本：Syngo B13，Erlangen，德国；Philips Achieva，软件版本2.1，Cleveland，OH）进行成像。
2. 应用 <通过50 mA电流以显示导管尖端位置。在磁共振成像（MRI）下，导管尖端会产生微小的磁矩，从而形成形状各异的明显伪影，具体形状取决于所激活的线圈。
3. 从Lambda双电源向线圈施加±100 mA范围内的不同电流，并观察尖端偏转情况（图3A-3C) 的水浴装置中。由于探针偏转几乎是瞬时的，只需施加约1-2秒电流即可观察到最大偏转。
4. 重复并记录连续施加的设定量电流。
5. 重复步骤 4.2，同时用手推动导管，使其在血管模拟体中实现机械性前进（图4A 和 4B）。在分支点处施加电流，使导管尖端偏转进入目标血管。通过手动推动导管末端，将导管向前推进至分支血管中（图4C）。将导管回撤至血管分叉处，并在对侧分支中重复操作（图4D).
6. 使用2D快照FLASH序列（TR=30 ms，TE=1.4 ms，矩阵为256×128，翻转角约30°）采集MR图像。

5. 偏转测量

使用各种计算机应用程序（任何医学数字成像和通信（DICOM）查看器）分析并测量在水浴实验期间捕获的图像的角度偏转。

结果

根据上述方案，当向组合式螺线管与亥姆霍兹线圈微导管系统的两个线圈同时施加 50–300 mA 的电流时，应观察到 0 至 90 度之间的偏转角度（图 2E）。增加施加的电流应导致微导管偏转角度增大，而电流极性反转则应导致微导管向正电流所引起偏转的完全相反方向偏转（图 5A–5C）。然而，偏转角度取决于多个参数。施加电流的大小以及螺线管和亥姆霍兹线圈的匝数会影响微导管尖端磁矩的强度。此外，外部磁场的强度以及粒子磁矩与外部磁场之间的夹角决定了微导管所受转矩的大小。最后，伸入水浴中的微导管尖端的无约束长度也是可能改变的另一个因素。上述任一变量的改变均会产生不同的偏转角度。

可使用多种类型的DICOM查看器软件对MR图像的偏转角进行精确测量和比较。还可通过在模拟血管体模中成功导航来测试高级偏转能力。

讨论

本文描述了在磁共振扫描仪中实现微导管偏转的实验方案。成功的关键参数是电流的精确施加和偏转角度的准确测量。在该方案中，最常见的误差来源是偏转角度的测量不准确。在水浴实验期间，由于介质相对于磁体孔径方向存在微小差异，磁共振图像中捕捉到的角度可能与实际值存在偏差。为解决这一问题，未来可采用在两个不同维度上放置的磁共振兼容光纤相机来采集图像。结合磁共振图像与相机图像，将提供对微导管尖端更为精确的三维观察视图。

通过调整成像参数可提高图像质量。可尝试采用不同的成像序列，以判断图像质量与清晰度是否有所提升。此外，由于传输线从磁共振扫描仪控制室外引出，导致磁体室射频屏蔽的完整性欠佳，可能降低了图像质量。该问题可通过将电源线经由穿孔板上的滤波器引入来改善。另外，将导管尖端微型线圈用作成像接收线圈，也有望在导管尖端附近获得更高分辨率的图像。目前正探索使用激光车削加工的导管尖端线圈作为成像线圈的可能性。

不仅可以获得质量更优的图像，还能更方便地用于精确测量偏转角度。如上所述，调整影响偏转角度的变量可导致更大的偏转程度。此外，可使用磁场强度更高...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
钆喷酸葡胺对比剂（Magnevist）	Bayer HealthCare Pharmaceuticals Inc.	1240340	McKesson 材料编号
正性光刻胶	Shipley	N/A	PEPR-2400，替代产品：Dow Chemicals Intervia 3D-P
硫酸铜	ScienceLab	SLC3778	晶体形态
硫酸	ScienceLab	SLS1573	50% w/w 溶液
石蜡	Carolina	879190
碳酸钾	Acros Organics	424081000